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栈与队列：数据结构中的双雄对决

news 2025/10/22 9:48:34

一、栈

1.1概念及结构

1.2栈的实现

1.3栈的相关题

1.4栈的应用场景

二、队列

2.1队列的概念及结构

2.2队列的实现

2.3队列的相关题

2.4队列的应用场景

2.5环形队列扩展

设计环形队列

一、栈

1.1概念及结构

栈：一种特殊的线性表，其只允许在固定的一端进行插入和删除元素操作。进行数据插入和删除操作的一端称为栈顶，另一端称为栈底。栈中的数据元素遵守后进先出LIFO（Last In First Out）的原则。

压栈：栈的插入操作叫做进栈/压栈/入栈，入数据在栈顶

出栈：栈的删除操作叫做出栈，出数据也在栈顶

在内存区域划分当中，也有栈，栈帧（Stack Frame） 是程序调用栈（Call Stack）中的一个关键结构，用于管理函数调用期间的局部数据、返回地址、参数传递等信息。每次函数被调用时，系统会在栈上为其分配一个栈帧；函数执行结束后，该栈帧被释放，栈顶恢复到调用前的状态。

栈在进程地址空间中的大小并非固定值，它取决于操作系统、硬件架构、系统配置以及程序的设置，通常在 几 MB 到几十 MB 之间

如果你写了一个递归函数，但是这个函数非常深，可能会导致栈溢出

1.2栈的实现

栈的实现一般可以使用数组或者链表来实现，相对而言，数组的结构实现更优一些，因为数组在尾上插入数据的代价比较小

用数组尾插/尾删即可

用单链表实现栈的时候使用头插法头删法，否则尾插尾删时间复杂度为O（1）

如果要用尾插尾删法，需要双向链表，否则效率低

//#define N 100
//typedef int STDataType;
//struct Stack
//{
//	STDataType a[N];
//	int top;
//};typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{STDataType* a;int top;int capacity;
}ST;void StackInit(ST* ps);
void StackDestroy(ST* ps);
void StackPush(ST* ps, STDataType x);
void StackPop(ST* ps);STDataType StackTop(ST* ps);
bool StackEmpty(ST* ps);
int StackSize(ST* ps);

void StackInit(ST* ps)
{assert(ps);ps->a = NULL;ps->top = ps->capacity = 0;
}void StackDestroy(ST* ps)
{assert(ps);free(ps->a);ps->a = NULL;ps->capacity = ps->top = 0;
}void StackPush(ST* ps, STDataType x)
{assert(ps);// 扩容if (ps->top == ps->capacity){int newCapacity = ps->capacity == 0 ? 4 : ps->capacity * 2;STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a, newCapacity*sizeof(STDataType));if (tmp == NULL){perror("realloc fail");exit(-1);}ps->a = tmp;ps->capacity = newCapacity;}ps->a[ps->top] = x;ps->top++;
}void StackPop(ST* ps)
{assert(ps);assert(!StackEmpty(ps));--ps->top;
}STDataType StackTop(ST* ps)
{assert(ps);assert(!StackEmpty(ps));return ps->a[ps->top - 1];
}bool StackEmpty(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top == 0;
}int StackSize(ST* ps)
{assert(ps);return ps->top;
}

注意这里使用了realloc开辟空间，如果不适用tmp接收，使用原来的ps->a接受可能会导致返回null，从而导致找不到原来的那块空间而导致内存泄漏

这里使用了top作为栈顶的标记位，你在删除元素的时候，使用伪删除法，不是真的删除，只是修改了标记位，后来插入的元素可以覆盖

栈的实现很简单，只需要维护好后进先出的条件，开放一边端口（栈顶）作为操作口即可

1.3栈的相关题

1.有效的括号（leetcode20例题）

2.用栈实现队列（leetcode232例题）

1.4栈的应用场景

1.浏览器历史记录和编辑器的撤销动作

2.深度优先搜索

只要符合后进先出的特性都是可以用栈的

二、队列

2.1队列的概念及结构

队列：只允许在一端进行插入数据操作，在另一端进行删除数据操作的特殊线性表，队列具有先进先出FIFO(First In First Out)

入队列：进行插入操作的一端称为队尾

出队列：进行删除操作的一端称为队头

2.2队列的实现

队列的实现可以使用数组也可以使用链表，但是使用链表更优，因为数组在进行头删的时候效率很低，使用链表（单链表）需要维护一个尾指针标记尾结点，这样能够更好的尾插

typedef int QDataType;
typedef struct QueueNode
{struct QueueNode* next;QDataType data;
}QNode;typedef struct Queue
{QNode* head;QNode* tail;int size;
}Queue;void QueueInit(Queue* pq);
void QueueDestroy(Queue* pq);
void QueuePush(Queue* pq, QDataType x);
void QueuePop(Queue* pq);
QDataType QueueFront(Queue* pq);
QDataType QueueBack(Queue* pq);
bool QueueEmpty(Queue* pq);
int QueueSize(Queue* pq);

#include "Queue.h"void QueueInit(Queue* pq)
{assert(pq);pq->head = pq->tail = NULL;pq->size = 0;
}void QueueDestroy(Queue* pq)
{assert(pq);QNode* cur = pq->head;while (cur){QNode* del = cur;cur = cur->next;free(del);}pq->head = pq->tail = NULL;
}void QueuePush(Queue* pq, QDataType x)
{assert(pq);QNode* newnode = (QNode*)malloc(sizeof(QNode));if (newnode == NULL){perror("malloc fail");exit(-1);}else{newnode->data = x;newnode->next = NULL;}if (pq->tail == NULL){pq->head = pq->tail = newnode;}else{pq->tail->next = newnode;pq->tail = newnode;}pq->size++;
}void QueuePop(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));if (pq->head->next == NULL){free(pq->head);pq->head = pq->tail = NULL;}else{QNode* del = pq->head;pq->head = pq->head->next;free(del);del = NULL;}pq->size--;
}QDataType QueueFront(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));return pq->head->data;
}QDataType QueueBack(Queue* pq)
{assert(pq);assert(!QueueEmpty(pq));return pq->tail->data;
}bool QueueEmpty(Queue* pq)
{assert(pq);return pq->head == NULL && pq->tail == NULL;
}int QueueSize(Queue* pq)
{assert(pq);/*QNode* cur = pq->head;int n = 0;while (cur){++n;cur = cur->next;}return n;*/return pq->size;
}